Условия фокусировки лазерного излучения при сварке.

Максимально возможная глубина проплавления достигается правильным выбором модового состава и фокусирующей оптики.

Часто стремятся к работе лазера на основной моде ТЕМ₀₀, что дает наибольшую концентрацию сфокусированного лазерного излучения. Однако работа на основной моде в газовых лазерах связана с уменьшением мощности излучения примерно в два раза по сравнению с многомодовым излучением.

При многомодовом составе излучения (по сравнению с одномодовым) наблюдается более равномерное распределение плотности мощности.

Глубина проплавления зависит как от концентрации энергии в сфокусированном луче, так и от угла его схождения.

При мощности менее 5 кВт глубина проплавления зависит в основном от плотности мощности, а с увеличением мощности все большую роль играет угол схождения луча и при мощности более 10 кВт определяющее влияние оказывает угол схождения луча.

Плотность мощности в пятне нагрева определяет характер взаимодействия луча с поверхностью металла. При воздействии луча малой плотности мощности (менее 5×10⁵ Вт/см²) основными эффектами являются повышение температуры поверхности и термоэлектронная эмиссия, а также фотоэлектрический эффект. Когда плотность мощности приближается к величине 10⁶ Вт/см², подвод энергии к обрабатываемому участку возрастает. Начинается локальное испарение и в металле образуется парогазовый канал, наличие которого дает возможность лазерному излучению поглощаться в глубине металла, а не только на его поверхности. При этом образуется узкий сварной шов с большим отношением глубины к ширине.

Для эффективного ведения процесса лазерной сварки металлов достаточна плотность мощности (1.06...4.8) ×10⁶ Вт/см².

Установлено, что с повышением плотности мощности излучения заглубление фокальной плоскости необходимо увеличивать, что определяется условием сохранения на поверхности металла минимальной критической плотности мощности, требуемой для поддержания процесса ‘кинжального’ проплавления. При мощностях излучения до 5×10³ Вт наибольшая глубина шва достигается при заглублении фокуса луча на (1...2) ×10^{-3 м под поверхность.}

Оптимальное положение фокальной плоскости зависит не только от мощности излучения, но и от скорости сварки и фокусного расстояния применяемых фокусирующих систем. Увеличение скорости сварки до (139...278)×10^-3 м/с приводит к изменению оптимального заглубления до нуля. В диапазоне скоростей (8.33...33.3)×10^-3 м/с влияние скорости сварки не обнаружено.

При мощности излучения 4 кВт для линз с фокусным расстоянием 0.68 м оптимальное заглубление (2.0...2.5)×10^{-3 м}, а для линз с фокусным расстоянием 0.21 м - (1.0...1.5)×10^{-3 м}.